Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Анализ частотно-временных параметров систем оперативного контроля сточных вод

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Анализ частотно-временных параметров систем оперативного контроля сточных вод"

Министерство природопользования и охраны окружающей среды СССР Всесоюзный научно-исследовательский институт по охране вод (ВНИИВО)

На правах рукописи

К р и й с Тармо Рейнович

УДК 504.064.36

АНАЛИЗ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СТОЧНЫХ ВОД

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков 1991

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране вод-

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Я. Г. Подоба.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор A.M. Айтсам, доктор технических наук, профессор Н.И. Иванов.

Ведущее предприятие:

Государственный проектно-исследовательский институт "Эстмелиопроект".

Защита диссертации состоится " " 1991 г.

в часов на заседании специализированного совета

K-I64.02.0I во Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране вод по адресу: 310888. г. Харьхсв, ул. Бакулина, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 5НИИВ0.

Автореферат разослан 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических

наук, старший научный сотрудник^-А/Л^у ^-Г.И. Каплин

ОЫЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С каздым годом взаимодействие человека с окружающей средой становится все более интенсивным. В связи с этим возрастает необходимость в детальной объективной информации о состоянии природной среды с одной и антропогенного воздействия на нее с другой стороны. Наличие информации о состоянии природной среды и уровне антропогенного воздействия позволяет правильно ориентировать хозяйство, рационально использовать различные природные ресурсы, обеспечивать сохранение и развитие природных возможностей для воспроизводства ресурсов, т.е. оптимизировать отношение человеческого общества с природой.

Важной частью всего множества данных об окружающей среде и влияния на нее является информация о количестве, составе и свойствах сточных вод, сбрасываемых в природные водные объекты.

Автоматизированные системы контроля сточных вод (АСК СВ) отличающиеся от систем мониторинга природных вод предметом контроля и возможностью получения прямой оперативной информации об антропогенном влиянии на водные объекты, не получили широкого распространения как в нашей стране, так и за рубежом.

Исследования состояния контроля источников загрязненя в Эстонии показали, что у органов водоохраны отсутствует оперативная информация о состоянии выпусков сточных вод, в то время когда на нескольких промышленных объектах работают технически сложные и дорогостоящие системы контроля и управления качеством вода.

Для проектирования АСК СВ нужно владеть методика!® определения временных характеристик контроля и обеспечения необходимой информативности, которые являются основой при комплектации структуры системы техническими средствами.

Целью диссертационной работы являлись разработка и сравнительный анализ временных методик проведения оперативного контроля сточных вод, разработка АСК СВ обеспечивающей оперативность и достоверность получения данных о загрязнении, оптимизированной по объемам внутрисистемных потоков информации.

В соответствии с указанной целью автором решены следующие задача:

используя данные о высокочастотной динамике изменения концентрации сточных примесей, полученные при экспериментальных исследованиях некоторых источников загрязнения предложены статистические методики определения частоты проведения контроля, разработана методика вычисления частоты контроля по спектру процесса загрязнения и проведен их сравнительный анализ;

предложены методы уменьшения частот контроля вычисленных по спектру процесса загрязнения и для повышения достоверности усредненного контроля разработан алгоритм трансформации заданного порога в зависимости от частоты пробо-отбора;

предложена структура АСК СВ и принципы работы системы, обеспечивающей необходимую оперативность получения информации о загрязнении, проведен анализ возможности минимизации объемов внутрисистемной информации при предложенном пороговом двухконтурном контроле и представлены основы эколого-экономической оптимизации систем контроля вод.

Научная новизна работы заключается в следующем: для обеспечения АСК СВ методиками определения частоты контроля использованы известные статистические методы определения частоты наблюдения, разработан экспериментальный подход для определения частоты пробоотбора, разработан алгоритм вычисления частоты по спектру процесса загрязнения и возможности уменьшения вычисленных частот с сохранением надежности и оперативности контроля; - разработан алгоритм определения порога для проведения усредненного пробоотбора с целью регистрации опасной длительности поступления высоких концентраций сточной примеси;

для реализации предложенных и разработанных методик определения частоты контроля предложена двухконтурная система .. контроля сточных вод как вариант достижения необходимой оперативности и достоверности получения данных о загрязнении и ыинимизацж внутрисистемной информации.

Практическая ценность и реализация результатов работы. В системе Государственной инспекции охраны природы Эстонской республики пользуются "Рекомендацией для определения частоты контроля сточных вод" разработанной при выполнении настоящей работы.

Основные результаты:

обоснована разработка методик проведения оперативного контроля точечных источников сточных вод; дан анализ состояния оперативного контроля сточных вод в Эстонии;

разработаны практические рекомендации по определению частоты для проведения оперативного контроля и оптимизации внутрисистемных потоков информации. Основные положения настоящей работы использованы в Таллинском техническом университете при выполнении плановой темы НИР Госкомгидромета СССР программы 'Балтика" (П.16Б.02) и хоздоговорных работ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах Балтийского отдела Института прикладной геофизики; межлабораторных совещаниях и на совещаниях секций Ученого Совета ВНИИВО; Всесоюзном семинаре "Геофизические информационные системы" (28-31 мая 1985 г.) в г. Выру; международном симпозиуме по оценке нагрузки загрязнения на Балтийское море (11-15 августа 1987 г.) в г. Таллинне; Всесоюзном симпозиуме молодых ученых "Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнения"(9-13 июля 1990 г.) в г. Харькове.

Дубликации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, I находится в печати.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (65 наименований). Текст диссертации изложен на 117 страницах машинописного текста, иллюстрируется 29 рисунками и II таблицами. На защиту выносятся:

методы определения временных характеристик процесса контроля;

методы уменьшения частоты контроля и алгоритм трансформации заданного порога при усредненномпробоотборз; двухконтурный принцип контроля сточных вод.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается обзор опыта создания систем контроля водной среды и источников ее загрязнения. Коротко приведена история развития контроля вод и описаны некоторые зарубежные и отечественные системы мониторинга природных вод, а также подходы к организации наблюдения за источниками загрязнения.

С методической и практической точки зрения интересующий нас контроль источников загрязнения существенно отличается от контроля объектов окружающей среды по двум основным соображениям. Во-первых, здесь речь идет о существенно более высоких концентрациях, изменения которых гораздо более динамичны по,сравнению с изменениями природных вод, что приводит к трудностям в автоматизации пробоподаотовки. Во-вторых, перечень подлежащих контроле веществ определяется составом сточных вод, который может быть определен не только путем анализа этих веществ, во также и на основе материального баланса данного вида производства.

Исследование состояния контроля воды в Эстонии показало, что у органов водоохраны отсутствует постоянный контроль за состоянием качества воды водоемов и за выпусками сточных вод. Существующий контроль носит случайный характер и не может удовлетворять при возросшем влиянии человеческой деятельности на окружающую среду.

В результате анализа основных проблем, связанных с системами контроля качества вод, приведенного в первой главе делается вывод, что к настоящему времени нет достаточной теории определения частоты контроля источников загрязнения. В этой области продолжается хоатическое построение систем контроля, которое чаще всего заключается только в модернизации приборов проведения анализов.

Во второй главе главное внимание уделяется методам определения временных характеристик процесса контроля.Дня этого приведены результаты экспериментального исследования характеристик сточных вод на городском коллекторе и произведено сопоставление их с теоретическими распределениями плотности вероятности. В результате сопоставления можно сказать,что случайные процессы изменения концентрации сточных вод при стационарно» выпуске в первом приближении подчиняются нормальному

в сточных водах городского коллектора

аакону распределения плотности вероятности. Проведенные эксперименты показали, что в городском коллекторе наблюдаются как относительно высокочастотные так и более низкочастотные колебания концентраций сточных примесей,связанные.очевидно,с большим числом источников поступления загрязнения с разными концентрациями и разными временами прооега.

Таким образом неооходимо проводить контроль с частотой, соответствующей динамике интересующего нас процесса.

Одной из наиболее развитых и испытанных в практике контроля является методика определения частоты проооотбора для мониторинга поверхностных вод, разработанная финскшпи специалистами на базе вероятностных показателей загрязнения. Настоящая методика взята за основу при разработке "Инструкции по отбору проб для анализа сточных вод", которая в. СССР является единственной в области контроля вода.

Зная, что частота отбора проб может быть статистическими методами надежно определена лишь после детальной предварительной работы с высокой частотой отбора и обработкой полученных данных статистическими методами, можно "Инструкцию ..." оценить как трудоемкую для широкого пользования не исключая при этом ее роль сравнительной базы для других методик.

Экспериментальный или эмпирический подход определения частоты контроля, предложенный автором, заключается в следящем.

Из полученного за время Т непрерывного ряда наблюдений

произведем выборки значений параметра по некоторой временной стратегии, обозначимой через

В качестве примера процесса загрязнения здесь и в дальнейшем будет служить реализации колебания концентрации взве-шннах веществ в сточных водах городского коллектора vpиc.I^. Для выборки определим выборочный максимум - максимальное

а;

значение из выоорки, полученной на интервале времени Т по временной стратегии Тк

Ск4,«*„ = С,' Максимальное значение непрерывного ряда подученного постоянным контролем на интервале времени Т мы называем генеральным максимумом

Сгпъх = ^

Имея вышеназванные характеристики, мы можем вычислить: 1. Детерминированное превышение, которое дает нам относительное несовпадение максимальных значений при контроле со стратегией ¿к по сравнению с постоянным или же более частым контролем на интервале времени Т

По одной стратегии С* можно провести несколько экспериментов в течении нескольких временных: интервалов Т. Для каждого эксперимента определим и Сгтм и вычислим Щ . Таким образом кы получим множество "Щ для данной стратегии.

'¿. Среднее детерминированное превышение при данной стратегии Тк

^Т^с/дает качественную оценку данной стратегии с точка зрения надежности контроля. Чем больше она, тем больше вероятность пропускания высоких концентраций.

дисперсия вычисленная для Щ характеризует стратегию также качественно, а именно: чем больше она, тем хуже стратегия.

3. среднее детерминированные превышения ЯТ^яля разные стратегий Тг) . 7"¿7*) дают нам возмог-ность выбирать наилучшую стратегию для контроля процесса загрязнения.

Расчеты, проведенные по вышеизложенной методике, принимая в качестве исходного ряда наблюдении данные рисунка 1 по-

казали, что такой процесс поступления загрязнений можно контролировать через 3 часа, фиксируя при этом по сравнению с другими стратегиями контроля наиболее точно высокие значения концентрации.

Необходимость дискретизации непрерывных контролируемых величин, к которым относится и процесс загрязнения возникает при необходимости проведения операции контроля через некоторые интервалы времени.

При контроле непрерывной величины через некоторые интервалы времени достоверность контроля по мере увеличения этик интервалов снижается.

Допустимое значение интервала контроля можно определить по формуле

Ц

где р и р* априорная и заданная вероятности нахождения контролируемой величины между порогами Пн и , 62 - дисперсия контролируемой величины, - дисперсия ее первой производной. Используя приведенную формулу при вычислении интервала для контроля известного нам процесса поступления взвешенных веществ рис. I пояучено:

2,09ч* 2ч5 мин 24 сек При определении частоты контроля можно пользоваться и характеристиками превышений заданного порога. Математически выбросы (превышения порога процессом загрязнения с{ф определяются выражением

С+((1=(с-п)'(с-п), у (7)

¿{с} - функция, описывающая единичную ступень V, С>0

'е1=\/А,С=0 (8)

[о, С<0

ТГ'Н-Щ (9)

4Ф

Как функция времени процесс /(с-п) представляет собой случайную последовательность прямоугольных импульсов единичной амплитуды. Они синхронны с переходами случайного процесса СО) через порог, т.е. имеют ту же длительность, что и импульсы неправильной формы, кз которнх состоит процесс С+ 01.

дифференцирование по времени функций 4(с'п),дает ряд ^импульсов, положительных при С'>0 и отрицательных при с'-СО . .введя фактор *(с') , отсекающий отрицательные -импульсы, получим функция ¿'(с-п}ф'), которая совпадает с числом превышений. Полное число превышений за время Т равно, таким оора-зом

и¡¿-(с-п)сЧ(с')^ 40)

О О

Устанавливая на процесс загрязнения (рис. I; порог на уровне Д = 300 мг/д мы получим, что число превышений этого порога в течении 60 часов и = 3, т.е. среднее время между превыие-1ШЯШ1 а/ = 20 ч. По известной экспертной рекомендации частота контроля для эффективного обнаружения превышений заданных порогов долзна быть в ') раз выше частоты появления садах превцшениа. Таким образом контроль процесса необходимо проводить через 2 ^аса 51 минуту.

Вез превышения можно интерпретировать как точки на оса времени, т.к. длительность редкопоявляющихся превышений взие-ряеьши параметром заданного порога очень мала по сравнении с интервалом меяду шс появлениями.

В таком случае можно вычислить вероятность /?ч попадания в промежуток времени I ровно ж превншеаяа заданного пороха по известному закону Дуассона л***

» ^ Ш)

а = А Т и 112)

Л - среднее число превышений в единицу временя.

Сравнивая результаты, полученные при использовании разных статистических методов определения частоты контроля на конкретном примере, мы можем констатировать их приблизительную ревность. Нужно обратить внимание и на то, что результаты близки несмотря на использование юти неиспользование порога в методиках.

Общий вывод, вытекающий из статистического подхода к решению задачи оптимизации частоты контроля - большая трудоемкость экспериментов для обеспечения теорий исходными данными.

В качестве математической модели формирования концентраций в канале выпуска для цели оперативного контроля целесообразно использовать модели, описывающие наиболее общие пространственно-временные зависимости, присущие процессу распространения вещества в водотоке. Привязка к конкретному объекту осуществляется через параметры модели, значения которых определяются на основе натурных исследований. К такого класса моделям относится уравнение турбулентной диффузии, наиболее полно описывающее процессы переноса и трансформации вещества в водном объекте, причем применительно к водотокам достаточно изпользо-вание в качестве модели одномерного уравнения турбулентной диффузии в виде

Ж * " ' ' где (13)

с - концентрация вещества /г/м3/;

{■ - время /с/;

V - средняя по сечению скорость течения /м/с/;

X - расстояние /м/;

Л - коэффициент турбулентной диффузии

/м^/с/;

f - интенсивность источника поступления вещества /фвс/; коэффициент неконсервативности. Будем считать, что в сточных водах содержатся только консервативные примеси, тогда ¡¿н « 0.

В случае постоянства коэффициентов уравнение (13) может быть решено в аналитической форме. Решение (13) в случае мгновенного точечного источника единичной массы примеси

где«- площадь кивого сечения Дг/, при нулевом начальном ус-

Рное 2. ЛЧХ сбросного канала с параметрами: X = 10СЮ к

V - I я/с

ловий с(х}0 =0 известна как формула Тейлора /

С точки зрения теории автоматического регулирования формула Тейлора представляет собой импульсную переходную функцию $(*/• На основе/А/'У могут быть получены все основные характеристики водотока, из которых в дальнейшем будем пользоваться амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

у У

М-ф&гЗНгяяяязг <15'

Для каждого конкретного случая существует некоторый заранее определенный контрольный створ, т.е. у^сат:^ Следовательно, частотные характеристики являются функциями только одного параметра £ или ■

Пример вычисления АЧХ для канала, параметры которого приблизительно совпадают с параметрами конечного участка известного нам городского коллектора приведены на рисунке 2.

Загрязнение попадает в водоем, канализационный коллектор или на очистные сооружения не в момент возникновения, а с задержкой на время прохождения сбросного канала.

В диссертации просмотрена конкретная задача определения частоты контроля, которая проводится у выпуска сточных вод(да-лее выход сбросного канала,). Входом сбросного канала является точка возникновения сточной примеси. Задача решена при следующих ограничениях:

- расход вод содержащих примеси поступающих в сбросной канал значительно меньше расхода воды в канале;

- размеры поперечного сечения канала значительно меньше длины;

при входе в канал загрязненный сток заполняет полностью все поперечное сечение канала;

расход воды в канале константен во время поступления примеси;

фоновая концентрация константа во время поступления конт-родируемой сточной примеси.

Любое поступление загрязнения, соответствующее указанным

ограничениям можно контролировать без всяких потерь информации следующим образом.

Как уже сказано, с точки зрения теории автоматического регулирования формула (14) представляет собой импульсную переходную функцию $(*}{) , которая является функцией отклика канала на <Г-импульсный вход. На основе можно найти

функцию поведения контролируемого вещества на выходе сбросного

канала при известном входе следующим образом

уМ- г/с/г-

сю

где ■

(/({] - входная функция;

- выходная функция; / - текущее время;

Т - начальный момент.

В соответствии с теоремой Шеннона-Котельникова известно, что для восстановления процесса необходимо и достаточно проводить контроль через интервалы времени у

' где (17)

- максимальная частота контролируемого процесса /1/с/. Для вычисления максимальной частотыЩшх необходимо представить интересующую нас выходную функцию в виде ряда Фурье

м где (18)

- период процесса

Г иЗГ/

^¡у/^-^А^ , И - О' /) 2;

С-ф [уГфш ¡р-^ , И-'; 2;--г

Максимальная частота определяется из формулы

(19)

(20)

Шпмх = (21)

при И = Имах

Таблица I.

Результата вычисления частоты контроля

канала пара- иетрн канала\ I 2 3 4 5 6 7 8

*■ Ы) 100 100 100 300 400 1000 1000 1000

Я I 0,5 100 I 0,5 2 2 2

V (м/с) 0,5 0,3 0,005 0,5 0,6 I I I

м (г) I I I I 100 I 100 1000

м (1/с) 0,033 0,024 0,00006 0,017 0,023 0,043 0,041 0,035

Л (с) 15 21 8333 29 21 12 12 14

Г (с> 430 600 1140 1100 3210 3300 3420

« 4,91 м£/с

Выполняя контроль через интервалы А^ мы можем полностью восстанавливать процесс прохождения сточных вод через контрольный створ, фиксируя при этом самые кратковременные изменения концентраций.

При вычислении частоты контроля по приведенному алгоритму, получены результаты, некоторые из которых приведены в таблице I. Как видно из таблицы интервалы равны нескольким десяткам секунд. Исключение составит резервуар с поперечным сечением в сто раз больше по сравнению со сбросным каналом (канал № 3 в таблице I), при использовании которого для транспортировки загрязняющих веществ интвервал между контролями увеличивается до двух с половиной часов.

Такие большие кастоты контроля можно реализовать только с помощью постояннодействующих датчиков , Ох , электропроводность), информация от которых не характеризует сложных сточных примесей.

Реализовать уменьшение частоты можно по-разному.Все эти варианты принесут некоторые материальные затраты или потери информации по сравнению с контролем по критерию Шеннона-Ко-тальникова, но сделают доступным контроль более сложных ингредиентов.

Варианты уменьшения частоты можно классифицировать как математические, исходящие из теории вычисления частоты и технические, базирующие на изменении параметров каналов выпуска.

Идея математического метода заключается в следующем.

Ряд Фурье с большой точность аппроксимирует интересующую нас функцию. зависит от точности аппроксимаций. Если же

мы отсечем из ряда (18) самые высокочастотные составляющие общая картина кардинально не меняется, т.к. высоким частотам соответствуют малые амплитуды (рис. 2) не играющие решающую роль з формировании аппроксимирующей кривой. Следовательно интервал контроля будет определяться по наиболее малым частотам, Выиграшь в частоте контроле при таком методе не очень велик и самые кратковременные пики концентрации, вероятность поступления которых очень мала, будут пропущены.

Имея ввиду, что (Г -импульсный вход в сбросной канал на выходе канала превращается (формула 14) в колоколсобразный график и по критерию Шеннона-Котельникова мы можем восстановим»

весь колоколообразный график, можно предлогать и другой метод для уменьшения частоты контроля. Так как названный график является изображением самого высокочастотного входного процесса, который можно фиксировать на входе в канал, за основу при определении интервалов контроля выходных величин можно, очевидно, взять временную протяженность изображения этого процесса. В таком случае (см. Т в табл. I) можно получить существенные увеличения интервалов контроля.

Уменьшение частоты контроля математическими методами не требуют никаких материальных затрат.

Более радикальный, технический метод для уменьшения частоты контроля состоит в изменении параметров канала сброса.

Для уменьшения частоты контроля нужно стараться увеличить время пребывания сточной примеси в сбросном канале.Этого можно достигнуть как за счет увеличения длиныXканала, так и за счет увеличения площади живого сечения -й . Расчеты показали (см. канал № 3 в табл. I), что создание вместо сбросного канала резервуара с большой емкостью увеличивает интервал контроля в несколько сот раз. В зависимости от типичного поведения процесса загрязнения можно рекомендовать для определения частоты контроля:

при стационарном процессе поступления загрязнения статистические методы;

при нестационарном процессе с множеством кратковременных залповых выбросов амплитудно-частотную методику с одновременным использованием методов сглаживания высокочастотных колебаний.

В третьей главе рассматриваются проблемы связанные с построением автоматизированной системы контроля сточных вод. АСК СВ. .«предназначена для контроля состава и свойств сточных вод, отводимых предприятиями в водные объекты, и выдачи сигналов ,о. нарушении установленных норм водоотведения. АСК должна сочетать оперативный контроль с использованием автоматических и Автоматизированных приборов,и лабораторный контроль с разветвленной сетью отбора проб.

Целью создания является своевременное обеспечение природоохранных органов и водопользователей достоверной информацией о составе и свойствах отводимых предприятиями региона еточ-

ных вод, позволяющей принимать решения об изменении режима водопользования в интересах улучшения экологической обстановки.

Основные требования к такой системе обусловлены специфичностью объекта контроля и требованиями к генерируемой ею информации. АСК СВ должна:

обеспечивать высокую оперативность получаемой информации; быть достаточно надежной и регистрировать как длительное, так и кратковременное вредное воздействие; обеспечивать возможность не только обнаружения воздействия, но и доказательную идентификацию загрязнителя; обеспечивать оперативную обработку и передачу информации в адрес, соответствующий ее рангу.

Стоимость системы должна быть такой, чтобы обеспечивалась возможность ее реализации в короткие сроки, а затраты на ее создание окупались не только за счет решения социальных проблем, но и за счет получения экономического эффекта от повышения качества вод в водных объектах.

В соответствии с изложенным могут быть предъявлены требования к основным элементам системы - средствам контроля, средствам связи и средствам обработки информации, а также к ее структуре.

Для выполнения основных требований предъявляемых к системе автоматизированного контроля сточных вод и решения задач поставленных перед нею представляется целесообразным строить оперативный контроль по двухуровневой схеме, которая в первом приближении может быть представлена следующим образом. Первый уровень, который условно может быть назван сигнальным, основан на использовании сигнализаторов с автоматическим отбором проб для непрерывного (по вышеизложенным временным методикам) порогового контроля обобщенных приоритетных, показателей сточных вод. Второй уровень, основанный на проведении лабораторных анализов отобранных проб с использованием стационарного оборудования, предназначен для более детального исследования состава с целью доказательной идентификации источника загрязнения. В некоторых случаях здесь возможно и использование автоанализаторов непосредственно га выпусках сточных вод.

Структурная схема АСК СВ представлена на рисунке 3.

I КОНТУР сигнальный пороговый

И ШНУР

аналитический

Рис. 3. Структурная схема автоматизированной системы контроля сточных вод

Для проведения порогового усредненного контроля в работе предложена методика трансформации заданного порога при усреднении проб. Для обеспечения необходимой оперативности и информативности нужно проводить усредненный контроль по какой-то известной временной методике. Усредненный контроль предоставит возможность фиксировать динамику поступаемой массы загрязнения^ запаздыванием во времени на интервал пробоотбора).

При решении задачи трансформации заданного порога допустим, что контролируемый процесс подчиняется нормальному закону распределения плотности вероятностей и используем следующие обозначения (рис. 4). С-ф - фоновая концентрация, среднее за время Т ;

П - абсолютный порог, заданный, например, по утвержденным нормативам;

- часть всего процесса загрязнения . превышающая абсолютный порогП , другими словами выбросы;

Сп - среднее превышение порога П за время 7~ ;

- интервал контроля для полного восстановления процесса¿У^'

"С - интервал усредненного пробоотбора, определяемый по какой-то другой известной нам методике; /»"/Г/ л*«Г

средняя концентрация сточной примеси за время с;',

и ; тр (22)

Для проведения усредненного контроля в целях наблюдения динамики поступления загрязнения и фиксации превышения заданного порога П нужно определить усредненный порог П* так,чтобы общее превышение этого порога значениями Сф(Г// было бы пропорциональным общему превышению порога П процессом С({)

Так как колебания процесса и Сф(<у/ происходятся

относительно оси Сф и один является более низкочастотным списанием другого, можно предположить, что все параметры процесса и описания должны быть пропорциональны. Значит пропорциональны среднее превышение Сп и среднее превышение усредненными величинами^ (С,-) порога П* . А также пропорциональны среднеквадратичные отклонения процесса С({)/5~п/к усредненных величин Следовательно и пороги при разных методиках пропорциональны и величина порога для усредненного конт-

роля выражается

ж

6Ъ» " <7*

Таким образом мы имеем выражение для определения такого порога, превышение которого результатами усредненного контроля дает нам информацию об опасной длительности поступления высоких концентраций сточной примеси.

В четвертой главе затронуты общие принципы оптимизации в области контроля качества воды, в частности автоматизированного контроля сточных вод.

Для проектирования оптимальной системы контроля нужно с одной стороны определить ущерб от поступаемого загрязнения используя существующие методики и сопоставить этот ущерб с затратами на создание и эксплуатацию системы контроля. Оценка при этом должна учитывать все составляющие и их полезность для результата.

В общем случае вектор состояний системы должен быть многомерным. Однако изучение наиболее важных параметров, описывающих состояние системы, позволяет предположить, что существует конечное число показателей, достаточно полно характеризующих ее состояние.

В конкретном случае принята к решению задача оптимизации системы автоматизированного контроля сточных вод по стоимостным и природоохранным критериям, т.е. можно будет ограничиться, двумя показателями, характеризующими состояние системы.Вид функции полезности в таком случае соответствует известной функции Кобба-Дугласа

показатели состояния; р - кратность важности у .

С использованием функций полезности (24) можно из разных временных методик проведения контроля или структур системы составить упорядоченный ряд. Минимальное значение из получаемого рядо соответствует оптимальному варианту проведения контроля как с экологической, так и с экономической точки зрения.

Методика определения объемов внутрисистемной информации связанная с методиками определения частоты контроля дает нам

(24)

возможность оптимизировать систему контроля в информационном смысле.

Основными путями минимизации внутрисистемной информации, не влияющими на общую информативность системы, являются сближение частоты передачи и вероятной частоты появления превышений и передача при этом сигнала о наличии или отсутствии превышения.

Общие выводы

1. Частоту контроля сточных вод можно определить по разным методикам, разработанными и предложенными в диссертации. При этом нужно учитывать, что все методики,базирующие на статистическом анализе процесса загрязнения, требуют детальной предварительной работы с высокой частотой отбора проб. Необходимая и достаточная частота для полного восстановления процесса загрязнения, вычисленная по спектру процесса, технически нереализуема для множества загрязняющих веществ. Для преодоления названного недостатка необходимо использовать методы уменьшения частот контроля предложенные в диссертации.

2. При проведении усредненного пробоотбора можно регистрировать опасные повышения концентрации контролируемых веществ и кратковременные превышения заданных норм, если использовать методику трансформации заданного порога, разработанную в диссертации.

3. Двухконтурный принцип построения системы контроля сточных вод позволяет организовать контроль с необходимой оперативностью и достоверностью, минимизировать внутрисистемные потоки информации и оставляет систему открытой для дальнейшего расширения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

I. Саккиус Г.И., Крийс Т.Р. Создание системы мониторинга поверхностных вод в Эстонской ССР //Тезисы докладов УП Всесоюзного симпозиума по современным проблемам прогнозиро-

ваняя, контроля качества воды водоемов и озонирования, II секция. - Таллинн, 1985. - с. 186 - 187.

2. Есаулов С.М., Крийс Т.Р. Оценка исходных концентраций веществ, поступающих в реки // РЖ Мелиорация и водное хозяйство, выпуск 9. - М., ЦБНТИ МВХ СССР, 1988.

3. Крийс Т.Р. Трансформация заданного порога при усреднении проб // В кн.: Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнения. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума молодых ученых, Харьков, 9 - 13.07.1990. - Харьков, ВНИИВО, 1990. - С. 86-87.

4. Loigu Е., Ьаапе A,, Eriis Т. The conditions for industrial effluent discharges to the municipal sewage system.-In» Baltic Sea Environment Proceedings,No 25. Seminar

on wastewater treatment in urban areas, 7-9 September 1986, Visby, Sweden, - Helsinki, 1987. - p. 46-54.